類金剛石碳膜的制備及其機(jī)械性能和應(yīng)用

　　類金剛石碳（diamond-like carbon ）膜簡(jiǎn)稱DLC膜，是一類物理和化學(xué)性質(zhì)類似于金剛石且具有獨(dú)特摩擦學(xué)特性的非晶碳膜。類金剛石碳膜易于大面積沉積，沉積速度快，沉積溫度低，可采用金屬和非金屬材料作為襯底，加之其所具有的優(yōu)良物理化學(xué)以及機(jī)械性能，所以具有重大的實(shí)用價(jià)值。本文著重闡述類DLC膜的制備方法、機(jī)械性能及其在機(jī)械方面和其他一些領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　一、制備方法
　　DLC膜的制備技術(shù)日益成熟，以下簡(jiǎn)單介紹常見的幾種方法：
　　1.等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)法
　?。?）直流輝光放電(DG)法。直流輝光放電法就是利用高壓直流負(fù)偏壓(-2至-5kV)，使低壓碳?xì)錃怏w發(fā)生輝光放電，從而產(chǎn)生等離子體，等離子體在電場(chǎng)作用下轟擊基體，并沉積成膜。
　?。?）熱絲放電(HFG)法。熱絲放電法是在直流放電法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。在陰極板的上面放一Mo絲，沉積DLC膜時(shí)，加熱Mo絲到1100℃，產(chǎn)生大量熱電子，這些電子將中和膜面沉積的正電荷，減小電荷積累所產(chǎn)生的電壓降。
　?。?）射頻輝光放電(RFG)法。射頻輝光放電法有兩種形式：感應(yīng)圈式和平行板電容偶合式。對(duì)于感應(yīng)圈式，當(dāng)感應(yīng)圈接上射頻電源時(shí)，低壓碳?xì)錃怏w發(fā)生輝光放電而分解，形成等離子體，在基體上沉積成膜。
　?。?）雙射頻輝光放電(RF-RF)法。用此法制備的DLC膜致密、無(wú)針眼、壓應(yīng)力低。
　?。?）射頻-直流(RF-DC)法。射頻-直流法就是在射頻輝光放電法的基礎(chǔ)上加一直流電源，這樣等離子體在直流負(fù)偏壓和射頻自負(fù)偏壓的共同作用下轟擊基體表面。
　　2.物理氣相沉積(PVD)法
　?。?）直流磁控濺射(DMS)法。其基本原理是，受磁場(chǎng)控制的電子在低壓下轟擊氬原子，使之電離成氬離子，高能氬離子轟擊石墨靶，濺射出碳原子，在基體上沉積成膜。
　?。?）射頻濺射(RFS)法。射頻濺射法和射頻輝光放電法很相似，只不過(guò)基體在陽(yáng)極，石墨靶作為陰極。石墨靶在射頻振蕩激發(fā)的氬原于轟擊下，濺射出碳原子，在基體上沉積成膜。
　?。?）離子束沉積(IBD)。離子束沉積就是將碳?xì)錃怏w充入離子源中，在熱絲產(chǎn)生的高能電子的作用下發(fā)生電離，然后在電場(chǎng)的加速作用下轟擊基板，并沉積成膜。
　?。?）真空電弧(VARC)法。真空電弧法沉積速度快，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。此方法沉積的DLC膜不含氫，SP3鍵結(jié)合的碳含量高達(dá)90％，具有高硬度和密度，性能更接近于金剛石膜。
　　（5）激光電弧(LARC)法。激光電弧法就是用高能激光束射向石墨靶面，蒸發(fā)出碳原子。碳原子在脈沖電流的作用下產(chǎn)生電弧，形a成能量為lkeV的碳離于轟擊基體，并沉積成膜。
　　二、性能特點(diǎn)
　　1.機(jī)械性能
　　DLC膜具有高硬度和高彈性模量，不同的沉積方法制備的DLC膜硬度差異很大。沉積工藝參數(shù)對(duì)DLC膜的硬度有影響，膜層內(nèi)的成分對(duì)膜層硬度也有一定影響。但是DLC膜有很高的內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力是決定薄膜的穩(wěn)定性和使用壽命的重要因素，而且內(nèi)應(yīng)力也會(huì)限制膜的厚度。通過(guò)在膜中摻雜N、Si、O或金屬內(nèi)應(yīng)力可以減小，然而內(nèi)應(yīng)力減小會(huì)影響硬度和彈性模量。DLC膜具有優(yōu)異的耐磨性、低摩擦系數(shù)，是優(yōu)異的表面抗磨損改性膜。類金剛石膜的相關(guān)文獻(xiàn)顯示，DLC膜的低摩擦系數(shù)及超低磨損是由交界層的低剪切應(yīng)力決定的，也受測(cè)試環(huán)境影響。DLC膜的摩擦系數(shù)值的跨度很大，這是由膜的結(jié)構(gòu)和組成變化造成的。同時(shí)，膜的交界面有潤(rùn)滑作用，通過(guò)加入氫能提高潤(rùn)滑作用，加入水或氧會(huì)限制潤(rùn)滑。在超高真空中發(fā)現(xiàn)，DLC膜中氫的含量超過(guò)40％門限時(shí)，能獲得很低的摩擦系數(shù)，但過(guò)多的氫將降低膜與機(jī)體的結(jié)合力和表面硬度，使內(nèi)應(yīng)力增大。
　　2.其他方面的性能
　　DLC膜在其他方面也具備優(yōu)異的性能，比如DLC膜的硬度較高，而1微米以下的DLC膜有良好的附著力。離子束沉積的DLC膜的折射率依賴于沉積條件，但折射率變化不大，一般為1.9~2.2；DLC膜在紅外波段內(nèi)對(duì)Si具有增透效果；DLC膜的絕緣狀況非常好，接近金剛石的電阻率。
　　三、應(yīng)用
　　1.機(jī)械性能上的應(yīng)用
　　（1）DLC膜具有高硬度、低摩擦系數(shù)及良好的高耐磨性能，適用于軸承、齒輪等易損機(jī)件的抗磨損鍍層，尤其適合用于工具表面的耐磨涂層，可顯著提高壽命。如鍍制DLC膜的微型鉆頭在線路板的鉆孔中，速度提高50％，使用壽命增加5倍，鉆頭加工成本降低50％。而一些鐵釘、絲錐、插入式機(jī)械工具鍍上DLC膜后，可以暴露空氣中長(zhǎng)達(dá)7年而不被損壞。在鍍鋅鋼板的深沖模具上沉積了摻W的DLC膜后可以不用潤(rùn)滑劑，同樣次數(shù)的深沖后工件的表面質(zhì)量仍明顯優(yōu)于未鍍膜模具所沖工件。在制造易拉罐時(shí)，用高速鋼模具對(duì)鋁板沖壓，若無(wú)保護(hù)膜，沖壓幾次工件的孔邊就出現(xiàn)毛刺，而鍍上膜后沖壓5000次依然完好如初。
　　（2）DLC膜也可用在化工設(shè)備表面防腐方面。防腐試驗(yàn)結(jié)果表明：DLC膜對(duì)酸堿的防護(hù)能力強(qiáng)，具有很大的應(yīng)用潛力。將奧氏體不銹鋼表面經(jīng)過(guò)滲碳處理，然后再滲碳表面鍍制一層DLC薄膜可以明顯改善其摩擦性能和耐腐蝕性能，使摩擦系數(shù)由原來(lái)的0.55減小并保持在0.20。
　?。?）由于DLC膜具有較低的摩擦系數(shù)，可以較好地使用在高溫、高真空等不適于液體潤(rùn)滑的情況，以及沒(méi)有清潔要求的環(huán)境中。這種性能滿足航天及航空材料的要求。Mg-14％Li是一種比Mg密度小許多的輕質(zhì)合金，且具有適宜低溫使用的特性，在航空、汽車和微電子方面有很大的應(yīng)用潛力。
　?。?）DLC膜還可以作為磁介質(zhì)保護(hù)膜。將磁盤、磁頭或磁帶表面涂覆很薄的類金剛石膜后，不僅可以明顯減小摩擦磨損和防止機(jī)械劃傷，提高磁記錄介質(zhì)的使用壽命；而且由于DLC膜具有良好的化學(xué)惰性，抗氧化性提高，穩(wěn)定性增強(qiáng)。
　　2.在其他領(lǐng)域的應(yīng)用
　?。?）電子器件上的應(yīng)用。DLC膜可以作為芯片的銅片散熱器的絕緣電阻，將DLC膜用作光刻電路板的掩膜，不僅可以防止在操作中反復(fù)接觸造成的表面機(jī)械損傷，還允許用較激烈的機(jī)械或化學(xué)腐蝕方法去除膜表面的污染物而不形成對(duì)膜表面本身的破壞。此外，也可將DLC膜用在平面發(fā)射顯示上。
　　（2）光學(xué)上的應(yīng)用。DLC膜的可見光吸收和紅外透過(guò)性能，可以用在鍺光學(xué)鏡片上和硅太陽(yáng)能電池上作為減反射膜，這種膜有很高的電阻率、化學(xué)耐腐性和抗磨損性。由于DLC膜具有良好的光學(xué)透過(guò)性，且適于低溫沉積的特點(diǎn)，因此可以作為由塑料和聚碳酸脂等低熔點(diǎn)材料組成的光學(xué)透鏡表面抗磨損保護(hù)層。此外，DLC膜還是性能極佳的發(fā)光材料之一。
　?。?）在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。目前，DLC膜越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。用作人工心臟瓣膜的不銹鋼或鈦合金表面沉積了DLC膜的涂層，可以提高這些部件的使用性能；由于DLC膜有良好的硬度和摩擦性能，也常被用作人工關(guān)節(jié)承受面的抗磨層；另外，在人造牙根上鍍制一層類金剛石碳膜，還可以改善其生物相容性。